液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵密封組件靜力學(xué)特性

徐云飛，劉 麗，徐學(xué)軍，李 鋒，黃道瓊，段 捷

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710100；3.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西西安710100）

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵密封組件靜力學(xué)特性

徐云飛1,2，劉 麗1，徐學(xué)軍1,2，李 鋒1,2，黃道瓊1,2，段 捷3

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100；2.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710100；3.航天推進(jìn)技術(shù)研究院，陜西西安710100）

為了提高液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵端面密封的氣檢合格率，開展了密封組件的靜力學(xué)特性分析。采用有限元法建立了密封端面接觸分析模型，針對(duì)石墨環(huán)裝配過盈量、彈簧剛度偏差與氣檢壓力3個(gè)方面進(jìn)行了仿真計(jì)算，獲得了端面變形量和密封壓力分布的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：在0.13 mm過盈量下，石墨環(huán)上端面高度差為7.2μm；彈簧剛度偏差量變化引起的動(dòng)靜環(huán)端面壓力分布最大差值約0.1 MPa；在氣檢過程中密封端面呈環(huán)形的壓力分布。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；密封組件；靜力學(xué)特性；密封壓力分布；有限元法

0 引言

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，端面密封結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用。一旦端面密封失效，將會(huì)引起介質(zhì)泄露，嚴(yán)重時(shí)將使氧化劑與燃料串腔爆炸，造成火箭發(fā)射失敗。導(dǎo)致端面密封結(jié)構(gòu)失效的主要原因是密封組件變形，國內(nèi)外對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的研究，主要包括渦輪泵轉(zhuǎn)子及其支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)特性[1-3]、端面密封熱變形和壓力變形[4-8]等方面，但具體針對(duì)壓力變形的影響因素分析研究卻很少。

本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑泵端面密封結(jié)構(gòu)氣檢泄漏率超差問題，建立了端面密封結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，對(duì)渦輪泵裝配與檢漏過程中影響密封特性的因素進(jìn)行了研究，為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵端面密封故障診斷機(jī)理分析提供支持。

1 渦輪泵端面密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵端面密封結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。主要由動(dòng)環(huán)組件與靜環(huán)組件組成，動(dòng)環(huán)組件主要包括動(dòng)環(huán)、動(dòng)環(huán)軸套和壓環(huán)；靜環(huán)組件包括石墨環(huán)、靜環(huán)座、靜環(huán)襯套以及支撐彈簧等，其中石墨環(huán)通過熱套方式過盈裝配在靜環(huán)座上。

渦輪泵不工作時(shí)，在支撐彈簧的預(yù)緊力作用下，動(dòng)環(huán)和石墨環(huán)組成的摩擦副保持貼合；渦輪泵工作時(shí)，帶壓力推進(jìn)劑充填至環(huán)形的密封組件外側(cè)后，通過對(duì)靜環(huán)座施加附加的液壓軸向力實(shí)現(xiàn)摩擦副動(dòng)密封[9]。然而在產(chǎn)品加工完成后的氣密檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于石墨環(huán)與靜環(huán)座之間過盈裝配引起石墨環(huán)變形等原因，導(dǎo)致密封副端面壓力分布不均，造成氣檢泄漏率超出容許值，影響產(chǎn)品交付合格率，因此有必要通過靜力學(xué)仿真分析對(duì)密封面壓力分布的影響因素進(jìn)行分析。

2 模型建立

針對(duì)圖1所示的密封結(jié)構(gòu)，采用商業(yè)有限元軟件ANSYS建立的有限元模型如圖2所示，模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，選擇20節(jié)點(diǎn)的Solid186網(wǎng)格單元可以保證足夠的計(jì)算精度。

由于石墨環(huán)剛度較低，而其余密封組件結(jié)構(gòu)均為剛度較高的不銹鋼材質(zhì)，因此在接觸分析時(shí)，石墨環(huán)與靜環(huán)座以及動(dòng)環(huán)之間的接觸面設(shè)置為“剛體-柔體接觸”、其余接觸面均為“柔體-柔體接觸”。值得注意的是，“剛體-柔體接觸”設(shè)置中，剛性面設(shè)置為目標(biāo)面，柔性面設(shè)置為接觸面；而對(duì)于“柔體-柔體接觸”，目標(biāo)面與接觸面可以任意設(shè)置。在計(jì)算前，將接觸剛度的比例因子給定0.1，接觸算法選擇增強(qiáng)的拉格朗日法。

導(dǎo)致密封組件氣檢泄漏率超差的原因主要包括：裝配過盈量、支撐彈簧剛度偏差和氣檢壓力。通過建立靜力學(xué)仿真計(jì)算模型，結(jié)合相應(yīng)的邊界條件，對(duì)整個(gè)密封組件的靜態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算和分析，有利于確定影響密封副密封特性的瓶頸參數(shù)，為密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的確定提供數(shù)據(jù)支持。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 裝配過盈量分析

石墨環(huán)與靜環(huán)座之間為過盈裝配，這一設(shè)計(jì)可以有效保證二者之間的密封，但裝配應(yīng)力會(huì)引起石墨環(huán)變形，可能導(dǎo)致石墨環(huán)與動(dòng)環(huán)之間的接觸面減小或接觸壓力分布不均，影響密封的可靠性。

為研究過盈量變化對(duì)靜環(huán)組件應(yīng)力分布、接觸壓力及上端面軸向變形影響，采用加工公差范圍內(nèi)不同的過盈量，對(duì)靜環(huán)組件裝配后狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)分析，其中過盈量分別設(shè)置為0.085 mm，0.107 5 mm及0.13 mm，計(jì)算得到的部分結(jié)果如圖3和圖4所示。

對(duì)于不同過盈量，靜環(huán)組件的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在靜環(huán)座上沿的環(huán)狀區(qū)域中、石墨環(huán)的最大軸向位移均出現(xiàn)在其內(nèi)表面上端附近的環(huán)狀區(qū)域，并且均隨著過盈量的增大而增大。石墨環(huán)上端面與靜環(huán)座外沿上端面變形內(nèi)環(huán)均高于外環(huán)；在0.13 mm最大過盈量下，石墨環(huán)上端面高度差為7.2μm。

3.2 彈簧剛度偏差分析

靜環(huán)座底部沿周向均勻設(shè)置8個(gè)支撐彈簧，用于使動(dòng)靜環(huán)接觸并預(yù)緊：一方面，離散布置的8個(gè)彈簧支撐力沿靜環(huán)座和石墨環(huán)達(dá)到密封端面，可能使密封壓力分布均勻性較差；另一方面，彈簧支撐剛度偏差會(huì)使動(dòng)靜環(huán)之間初始密封比壓分布偏斜，進(jìn)而影響密封性能。根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)要求，其剛度偏差允許有±9%范圍內(nèi)的波動(dòng)，因此計(jì)算模擬的最惡劣工況為密封面的一二象限彈簧剛度正偏差9%，三四象限彈簧剛度負(fù)偏差9%。

彈簧剛度均勻的情況下，動(dòng)靜環(huán)密封端面的壓力分布較為均勻，最大壓差0.036 MPa，如圖5(a)所示。由于8根彈簧沿周向均勻支持靜環(huán)座外沿下端面，所以接觸壓力的極值點(diǎn)也是沿1/8周長(zhǎng)均勻分布。而彈簧剛度偏差極限情況下，接觸壓力分布均勻均勻性較差，石墨環(huán)上端面最大接觸壓力差值0.098 MPa，已經(jīng)超過了最小壓力值的50%，如圖5(b)所示。因此可以認(rèn)為，支撐彈簧剛度分布不均是影響密封組件密封性能的故障模式之一。如圖6所示，密封端面上的密封比壓分布計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

3.3 氣檢壓力分析

在密封組件泄漏率檢查的過程中，氣檢壓力作用會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)密封副的密封性能產(chǎn)生一定影響。計(jì)算的邊界條件為對(duì)受密封壓力的面施加對(duì)應(yīng)的壓力，

對(duì)比無氣檢壓力與0.5 MPa氣檢壓力下端面密封計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無氣檢壓力時(shí)，端面密封壓力分布近似呈“馬鞍形”，這主要是由于動(dòng)環(huán)軸套與動(dòng)環(huán)之間的傳力是通過對(duì)稱分布的2個(gè)支耳，裝配壓力傳遞過程引起動(dòng)環(huán)變形造成；通入0.5 MPa氣檢壓力后，密封端面接觸壓力增大，使得剛度小的石墨環(huán)變形量增大進(jìn)而使得端面密封壓力分布特性得到了改善，另外靜環(huán)座肩部由于受到不平衡的軸向力發(fā)生變形，使得靜環(huán)組件上翹，造成外高內(nèi)地的環(huán)形壓力分布。

同時(shí)考慮石墨環(huán)裝配過盈量與氣檢壓力條件下的密封比壓分布計(jì)算結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：無氣檢壓力下，端面密封壓力分布變成了“雙月牙形”，壓力分布均勻性差，存在大比例的低壓力區(qū)；通入0.5 MPa的氣檢壓力后，壓力分布有一定改善、且同樣呈圓環(huán)形分布。可以看出，對(duì)于靜環(huán)組件過盈裝配0.13 mm后，氣檢過程中，有效密封的面積比較低。

4 結(jié)論

通過某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵密封組件的靜力學(xué)特性研究，得到以下結(jié)論：

1） 石墨環(huán)與靜環(huán)座過盈裝配0.13 mm時(shí)，石墨環(huán)上端面高度差為7.2μm。

2） 彈簧剛度偏差量變化引起的動(dòng)靜環(huán)端面壓力分布最大差值0.098 MPa，已經(jīng)超過了最小壓力值的50%?？梢哉J(rèn)為，支撐彈簧剛度分布不均是影響密封組件密封性能的故障模式之一。

3） 對(duì)于靜環(huán)組件過盈裝配0.13 mm狀態(tài)，在氣檢過程中，有效密封的面積比較低，且呈圓環(huán)形分布。

[1]謝光軍,胡蔦慶,秦國軍.渦輪泵振動(dòng)參數(shù)與統(tǒng)計(jì)特征量的線性相關(guān)性分析[J].推進(jìn)技術(shù),2005,26(6)：540-547.

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（編輯：馬 杰）

Static mechanical characteristics of turbopump seal assembly in liquid rocket engine

XU Yunfei1,2,LIU Li1,XU Xuejun1,2,LIFeng1,2,HUANG Daoqiong1,2,DUAN Jie3
（1.Xi’an Aerospace Propulsion Institute,Xi’an 710100,China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Liquid Rocket Engine,Xi’an 710100,China; 3.Academy of Aerospace Propulsion Technology,Xi’an 710100,China）

To rise the checking qualification rate of seal in turbopump end face in liquid rocket engine,thestaticmechanicalcharacteristicsofsealassembly isanalyzed.The contactanalysismodelof sealassemblywassetupw ith FEM.The simulating calculation for fit tolerance ofgraphite ring,biasof spring stiffnessand checking pressurewas performed to get the variation law of end-face deformation and sealing pressure distribution.The resultindicates that theend faceheightdifferenceofgraphite ring upper surface is7.2μm at fit tolerance of 0.13mm,the biggestdifferentvalue of pressure distribution on end facesofmoving ring and static ring is0.1MPa,which is caused by biasof spring stiffness,and the pressure distribution of sealing end-face appears in circular shape in the process of sealing checking.

liquid rocketengine;seal assembly;staticmechanical characteristic;sealing pressure distribution;finite elementmethod

V434.21-34

A

1672-9374(2017)03-0017-05

2016-10-14；

2017-01-20

國家自然科學(xué)基金（11502186，51506157）

徐云飛（1984—），男，碩士，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)